Energia wewnętrzna w termodynamice

Energia wewnętrzna jest wielkością termodynamiczną, która jest równa suma wszystkich energii systemu, takich jak kinetyka i potencjał. To było reprezentowane jako E, a czasami jako U.

E = Ec + Ep +…

To ten, który definiuje Pierwsza zasada termodynamiki. To prawo ustanawia oszczędzanie energiito znaczy, że nie jest ani tworzony, ani niszczony. Innymi słowy, prawo to jest sformułowane mówiąc, że dla danej ilości postaci znikająca energia, w równej ilości pojawi się jej inna forma do brakującej kwoty.

Będąc jednostką Energii, jest mierzony w dżulach (J) jednostkach, zgodnie z Międzynarodowym Układem Jednostek Miar.

Pierwsza zasada termodynamiki jest wyjaśniona w niektórych ilość ciepła „q” dodana do systemu. Ta ilość spowoduje wzrost energii wewnętrznej układu, a także wykona pewną pracę zewnętrzną „w” w wyniku wspomnianej absorpcji ciepła.

ΔE + w = ​​q

ΔE = q - w

Jeżeli zadeklarujemy jako ΔE przyrost energii wewnętrznej układu i „w” pracę wykonaną przez układ na konturze, to otrzymamy poprzedni wzór.

Równanie stanowi matematyczne ustalenie Pierwszej Zasady Termodynamiki. Ponieważ energia wewnętrzna zależy tylko od stanu układu, to sama zmiana ΔE, związana z przejściem stanu, w którym energia wewnętrzna wynosi E₁ do innego, gdzie jest E₂ musi być podana przez:

ΔE = E₂ - E₁

ΔE zależy zatem tylko od stanu początkowego i końcowego układu, a nie od sposobu, w jaki taka zmiana została dokonana.

Rozważania te nie dotyczą „w” i „q”, ponieważ ich wielkość zależy od sposobu wykonania pracy w przejściu ze stanu początkowego do stanu końcowego.

Symbol „w” reprezentuje całkowitą pracę wykonaną przez system. Na przykład w ogniwie galwanicznym w możemy uwzględnić dostarczaną energię elektryczną, plus, jeśli jest zmiana objętość, wszelka energia użyta do wywołania rozszerzania się lub kurczenia wbrew przeciwnemu ciśnieniu „P”.

Zmianę objętości najlepiej widać na przykład w tłoku silnika spalinowego. Praca wykonywana przez system przy przeciwstawnym ciśnieniu „p”, czyli zewnętrznym i ze zmianą objętości od V₁ do V₂, jest opisany wzorem:

w = pΔV

Jeżeli jedyna praca wykonywana przez układ ma taki charakter, to podstawienie tego równania w I zasadzie termodynamiki jest następujące:

ΔE = q - w -> ΔE = q - pΔV

Równania Pierwszej Zasady Termodynamiki są doskonale ogólne i mają zastosowanie do obliczania Zmiany Energii Wewnętrznej ΔE, Pracy w, Ciepła q. Jednak w szczególnych warunkach równania te mogą przybierać określone formy.

1.- Kiedy Głośność jest stała: jeśli objętość się nie zmienia, to ΔV = 0, a praca w wyniesie 0. Dlatego bierze się pod uwagę tylko:

ΔE = q

2.- Kiedy presja opozycji p wynosi zero: Proces tego typu nazywa się Free Expansion. Dlatego jeśli p = 0, to w zostanie obliczone jako w = 0. Jeszcze raz:

ΔE = q

Wielkości q, w i ΔE są mierzalne doświadczalnie, ale wielkości E jako takie nie są; Ten ostatni fakt nie jest przeszkodą w termodynamice, ponieważ interesują nas głównie zmiany E (),E), a nie wartości bezwzględne.

Przykłady energii wewnętrznej

1.- Korzystając z Pierwszej Zasady Termodynamiki, oblicz zmianę energii wewnętrznej układu, do którego dodano ciepło 1500 dżuli i który zdołał wykonać pracę 400 dżuli.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 J - 400 J

ΔE = 1100 J

Nastąpił wzrost energii wewnętrznej

2.- Korzystając z Pierwszej Zasady Termodynamiki, oblicz zmianę energii wewnętrznej układu, do którego dodano ciepło 2300 dżuli i który zdołał wykonać pracę o wartości 1350 dżuli.

ΔE = q - w

ΔE = 2300 J - 1350 J

ΔE = 950 J

Nastąpił wzrost energii wewnętrznej

3.- Korzystając z Pierwszej Zasady Termodynamiki, oblicz zmianę energii wewnętrznej układu, do którego dodano ciepło o wartości 6100 dżuli i który zdołał wykonać pracę o wartości 940 dżuli.

ΔE = q - w

ΔE = 6100 J - 940 J

ΔE = 5160 J

Nastąpił wzrost energii wewnętrznej

4.- Korzystając z Pierwszej Zasady Termodynamiki, oblicz zmianę energii wewnętrznej układu, do którego dodano ciepło 150 dżuli i który zdołał wykonać pracę o wartości 30 dżuli.

ΔE = q - w

ΔE = 150 J - 30 J

ΔE = 120 J

Nastąpił wzrost energii wewnętrznej

5.- Korzystając z Pierwszej Zasady Termodynamiki, oblicz zmianę energii wewnętrznej układu, do którego dodano ciepło 3400 dżuli i który zdołał wykonać pracę o wartości 1960 dżuli.

ΔE = q - w

ΔE = 3400 J - 1960 J

ΔE = 1440 J

Nastąpił wzrost energii wewnętrznej

6.- Korzystając z Pierwszej Zasady Termodynamiki, oblicz zmianę energii wewnętrznej układu, do którego dodano ciepło 1500 dżuli i który zdołał wykonać pracę o wartości 2400 dżuli.

ΔE = q - w

ΔE = 1500 J - 2400 J

ΔE = -900 J

Nastąpił spadek energii wewnętrznej

7.- Korzystając z Pierwszej Zasady Termodynamiki, oblicz zmianę energii wewnętrznej układu, do którego dodano ciepło o wartości 9600 dżuli i który zdołał wykonać pracę o wartości 14000 dżuli.

ΔE = q - w

ΔE = 9600 J - 14000 J

ΔE = -4400 J

Nastąpił spadek energii wewnętrznej

8.- Korzystając z Pierwszej Zasady Termodynamiki, oblicz zmianę energii wewnętrznej układu, do którego dodano ciepło o wartości 2800 dżuli i który zdołał wykonać pracę o wartości 3600 dżuli.

ΔE = q - w

ΔE = 2800 J - 3600 J

ΔE = -800 J

Nastąpił spadek energii wewnętrznej

9.- Korzystając z Pierwszej Zasady Termodynamiki, oblicz zmianę energii wewnętrznej układu, do którego dodano ciepło 1900 dżuli i który zdołał wykonać pracę o wartości 2100 dżuli.

ΔE = q - w

ΔE = 1900 J - 2100 J

ΔE = -200 J

Nastąpił spadek energii wewnętrznej

10.- Korzystając z Pierwszej Zasady Termodynamiki, oblicz zmianę energii wewnętrznej układu, do którego dodano ciepło 200 dżuli i który zdołał wykonać pracę 400 dżuli.

ΔE = q - w

ΔE = 200 J - 400 J

ΔE = -200 J

Nastąpił spadek energii wewnętrznej